電磁鋼板の熱改質方法
【課題】高周波鉄損が低く、かつ高い降伏強度を有する電磁鋼板の熱改質方法を提供する。
【解決手段】電磁鋼板の熱改質方法は、Ｓｉを２〜４％含有する鉄合金素材に、オーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度に急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施す。この熱処理により、平均結晶粒径を３〜１５μｍに調製する。熱処理を加熱源として高周波電源またはレーザを用いる。得られる電磁鋼板の降伏強度は４４０ＭＰａ以上である。
【解決手段】電磁鋼板の熱改質方法は、Ｓｉを２〜４％含有する鉄合金素材に、オーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度に急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施す。この熱処理により、平均結晶粒径を３〜１５μｍに調製する。熱処理を加熱源として高周波電源またはレーザを用いる。得られる電磁鋼板の降伏強度は４４０ＭＰａ以上である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータや発電機などの高速回転用電気機器等に用いられる電磁鋼板の熱改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁鋼板はモータや発電機などの電気機器の鉄心材料として広く使用されている。
近年、地球温暖化防止に関する要請が一段と高まっており電気機器の高効率化も避けて通れない状況となっている。したがって、高周波鉄損の低い電磁鋼板が必要とされるようになってきている。一方で、工作機械、ＨＤＤ用モータ、マイクロガスタービン等では高速回転化が進められている。これに対しては高速回転時の遠心力に耐える高強度な、言い換えると高い降伏強度を有する電磁鋼板が要求されている。
このため、高周波鉄損（以下、これを単に鉄損ということがある。）が低く、かつ高い降伏強度を有する電磁鋼板の開発が必要となっている。
ところが、冷延鋼板の分野では、一般に、両特性は二律背反の関係にあるとされている。
【０００３】
降伏強度を高める観点からは、固溶強化の大きい元素を添加する方法が種々検討されている。しかしながら、これらの方法では、高周波鉄損を必ずしも十分に低減することができない。
この点に鑑み、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｎを所定量含有する高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板が提案されている(例えば、特許文献１、非特許文献１参照。)。この場合、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｎの添加により鋼の張力を高めるとともに、Ｎｉによってさらに高周波鉄損を構成する渦電流損およびヒステリシス損のうち、前者の渦電流損を低減することができるとされている。
【特許文献１】特開２００３−３４２６９８号公報
【非特許文献１】久保田ら，まてりあ，４２巻３号２００３年，ｐｐ．２４２−２４４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の電磁鋼板では、降伏強度は従来製品である珪素鋼板に対して２倍になるが鉄損が２倍となり、要求特性を十分満たすものではなかった。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高周波鉄損が低く、かつ高い降伏強度を有する電磁鋼板の熱改質方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、オーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度に急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施すことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、前記加熱・冷却工程の繰り返し回数が６回以下であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、前記熱処理により、平均結晶粒径を３〜１５μｍに調製することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、前記熱処理の繰り返しを加熱源として高周波電源もしくはレーザまたは双方を組み合わせて用いて行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、得られる電磁鋼板のＳｉ含有量が２〜４％であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、得られる電磁鋼板の降伏強度が４４０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電磁鋼板の熱改質方法は、オーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度に急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施すため、高周波鉄損が低く、かつ高い降伏強度を有する電磁鋼板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
【００１４】
金属材料の結晶粒の粒径と降伏強度の関係は、ホールペッチの法則で知られているように、降伏強度は粒径の平方根に反比例する。したがって、降伏強度を向上させるためには、粒径は小さい方がよい。ところが、粒径は、鉄損とも相関があり、粒径が小さいほど、電気抵抗が高くなって鉄損を構成する渦電流損が低下する反面、鉄損を構成するヒステリシス損が増加する。本発明者等は、上記降伏強度、渦電流損およびヒステリシス損の３つの要素のバランスを検討するなかで、本発明を見出した。
【００１５】
本発明の電磁鋼板の熱改質方法は、焼鈍後、表面処理をする前の素材に、図１の急速加熱・急速冷却のパターン例に示すように、オーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度に急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施す。図１中、Ｔｓはオーステナイト領域の下限温度、Ｔｆはオーステナイト領域の上限温度である。
加熱・冷却は、電磁鋼板全体に対して繰り返し行ってもよく、また、特定の同一部位に対して繰り返し行ってもよい。
これにより、従来の電磁鋼板よりも鉄損（高周波鉄損）が低く、かつ高い降伏強度を有する電磁鋼板を得ることができる。また、通常、数十μｍ以上程度ある電磁鋼板の結晶の粒径を小さくすることがでる。この電磁鋼板を使用した電気機器は高効率且つ小型で高速回転にも対応できる。なお、加熱・冷却工程の繰り返し回数が３回未満の場合、鉄損および降伏強度のいずれも顕著な改善効果を得ることができない。
【００１６】
加熱・冷却工程の繰り返し回数は、好ましくは、６回以下とする。
繰り返し回数が６回を超えると、降伏強度はさらに高まるものの鉄損が増加する傾向がある。
【００１７】
また、平均結晶粒径は、鋼種条件等に応じて熱処理条件を最適化して、好ましくは、３〜１５μｍに調製する。
平均結晶粒径が３μｍ未満になると、降伏強度はさらに高まるものの鉄損が増加する傾向があり、一方、平均結晶粒径が１５μｍを超えると、鉄損および降伏強度のいずれも顕著な改善効果を得ることができない。
【００１８】
熱処理は、好ましくは、加熱源として高周波電源またはレーザを用いて行う。レーザは、炭酸ガスやＹＡＧレーザを好適に用いることができる。
この場合、いずれか１つの加熱源のみを用いて必要回数繰り返し熱処理を行ってもよく、あるいはまた、例えば、繰り返し回数４回のうち最初の３回は加熱源として高周波電源を用い最後の１回は加熱源としてレーザを用いる等、２つの加熱源を適宜組み合わせて必要回数繰り返し熱処理を行ってもよい。
【００１９】
また、本発明の電磁鋼板の熱改質方法において、得られる電磁鋼板は、好適には、Ｓｉを２〜４％含有する鉄合金である。
Ｓｉの含有量が２％未満になると、Ｓｉの存在による鉄損低減効果および降伏強度向上効果が損なわれ、一方、本発明の結晶粒径調製の効果により、コスト増要因となるＳｉの含有量を４％を超える値とする必要はなく、また、Ｓｉの含有量が４％を超えるとオーステナイト領域が消失するので本発明の熱処理効果を得ることができない。
【００２０】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法において、得られる電磁鋼板の降伏強度は、好適には４４０ＭＰａ以上である。
【実施例】
【００２１】
図２に示す処理工程図において、圧延最終工程から出てきた３％Ｓｉ−Ｆｅ電磁鋼板１０にレーザビーム１２を用いて本発明を適用した例を示す。
電磁鋼板１０は、厚さ０．２０ｍｍ、幅１０００ｍｍである。電磁鋼板１０をローラ１４で巻取りながらレーザビーム１２による加熱と水冷機構１６による水冷を交互に繰り返した。加熱は、電磁鋼板の組織がオーステナイト領域内に達する温度まで行い、冷却は、電磁鋼板の組織がオーステナイト領域以下、すなわち、オーステナイトとフェライトが共析する領域内に達する温度まで行った。
幅方向のレーザスキャン方法はガルバノスキャン方式を適用した。レーザは、炭酸ガスレーザ（出力２ｋＷ）を使用して、幅１．５ｍｍの部分に対して３００ｍｍ／秒の速度で照射した。
【００２２】
熱処理後の電磁鋼板の鉄損は周波数１０ｋＨｚにて測定し、降伏強度測定には引張り試験機を使用した。組織観察は腐食後に顕微鏡で行った。
結果を表1に示す。レーザビームを３回以上照射する実施例では、レーザビームを照射しない、または照射回数が２回以下の比較例より鉄損が小さく降伏強度が大きくなることが分る。実施例のフェライトの平均粒径は２〜１５μｍの範囲であった。試料番号7は鉄損が比較例よりやや大きいものの降伏強度が著しく大きい。このため、用途によっては試料番号7の平均粒径が２μm以下でも適用することができる。
【００２３】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の電磁鋼板の熱改質方法における、急速加熱急速冷却の温度パターン例を示す図である。
【図２】本発明の電磁鋼板の熱改質方法の処理工程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０ 電磁鋼板
１２ レーザビーム
１４ ローラ
１６ 水冷機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータや発電機などの高速回転用電気機器等に用いられる電磁鋼板の熱改質方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電磁鋼板はモータや発電機などの電気機器の鉄心材料として広く使用されている。
近年、地球温暖化防止に関する要請が一段と高まっており電気機器の高効率化も避けて通れない状況となっている。したがって、高周波鉄損の低い電磁鋼板が必要とされるようになってきている。一方で、工作機械、ＨＤＤ用モータ、マイクロガスタービン等では高速回転化が進められている。これに対しては高速回転時の遠心力に耐える高強度な、言い換えると高い降伏強度を有する電磁鋼板が要求されている。
このため、高周波鉄損（以下、これを単に鉄損ということがある。）が低く、かつ高い降伏強度を有する電磁鋼板の開発が必要となっている。
ところが、冷延鋼板の分野では、一般に、両特性は二律背反の関係にあるとされている。
【０００３】
降伏強度を高める観点からは、固溶強化の大きい元素を添加する方法が種々検討されている。しかしながら、これらの方法では、高周波鉄損を必ずしも十分に低減することができない。
この点に鑑み、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｎを所定量含有する高周波鉄損の優れた高張力無方向性電磁鋼板が提案されている(例えば、特許文献１、非特許文献１参照。)。この場合、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｎの添加により鋼の張力を高めるとともに、Ｎｉによってさらに高周波鉄損を構成する渦電流損およびヒステリシス損のうち、前者の渦電流損を低減することができるとされている。
【特許文献１】特開２００３−３４２６９８号公報
【非特許文献１】久保田ら，まてりあ，４２巻３号２００３年，ｐｐ．２４２−２４４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の電磁鋼板では、降伏強度は従来製品である珪素鋼板に対して２倍になるが鉄損が２倍となり、要求特性を十分満たすものではなかった。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、高周波鉄損が低く、かつ高い降伏強度を有する電磁鋼板の熱改質方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、オーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度に急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施すことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、前記加熱・冷却工程の繰り返し回数が６回以下であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、前記熱処理により、平均結晶粒径を３〜１５μｍに調製することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、前記熱処理の繰り返しを加熱源として高周波電源もしくはレーザまたは双方を組み合わせて用いて行うことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、得られる電磁鋼板のＳｉ含有量が２〜４％であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法は、得られる電磁鋼板の降伏強度が４４０ＭＰａ以上であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電磁鋼板の熱改質方法は、オーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度に急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施すため、高周波鉄損が低く、かつ高い降伏強度を有する電磁鋼板を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について、以下に説明する。
【００１４】
金属材料の結晶粒の粒径と降伏強度の関係は、ホールペッチの法則で知られているように、降伏強度は粒径の平方根に反比例する。したがって、降伏強度を向上させるためには、粒径は小さい方がよい。ところが、粒径は、鉄損とも相関があり、粒径が小さいほど、電気抵抗が高くなって鉄損を構成する渦電流損が低下する反面、鉄損を構成するヒステリシス損が増加する。本発明者等は、上記降伏強度、渦電流損およびヒステリシス損の３つの要素のバランスを検討するなかで、本発明を見出した。
【００１５】
本発明の電磁鋼板の熱改質方法は、焼鈍後、表面処理をする前の素材に、図１の急速加熱・急速冷却のパターン例に示すように、オーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度に急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施す。図１中、Ｔｓはオーステナイト領域の下限温度、Ｔｆはオーステナイト領域の上限温度である。
加熱・冷却は、電磁鋼板全体に対して繰り返し行ってもよく、また、特定の同一部位に対して繰り返し行ってもよい。
これにより、従来の電磁鋼板よりも鉄損（高周波鉄損）が低く、かつ高い降伏強度を有する電磁鋼板を得ることができる。また、通常、数十μｍ以上程度ある電磁鋼板の結晶の粒径を小さくすることがでる。この電磁鋼板を使用した電気機器は高効率且つ小型で高速回転にも対応できる。なお、加熱・冷却工程の繰り返し回数が３回未満の場合、鉄損および降伏強度のいずれも顕著な改善効果を得ることができない。
【００１６】
加熱・冷却工程の繰り返し回数は、好ましくは、６回以下とする。
繰り返し回数が６回を超えると、降伏強度はさらに高まるものの鉄損が増加する傾向がある。
【００１７】
また、平均結晶粒径は、鋼種条件等に応じて熱処理条件を最適化して、好ましくは、３〜１５μｍに調製する。
平均結晶粒径が３μｍ未満になると、降伏強度はさらに高まるものの鉄損が増加する傾向があり、一方、平均結晶粒径が１５μｍを超えると、鉄損および降伏強度のいずれも顕著な改善効果を得ることができない。
【００１８】
熱処理は、好ましくは、加熱源として高周波電源またはレーザを用いて行う。レーザは、炭酸ガスやＹＡＧレーザを好適に用いることができる。
この場合、いずれか１つの加熱源のみを用いて必要回数繰り返し熱処理を行ってもよく、あるいはまた、例えば、繰り返し回数４回のうち最初の３回は加熱源として高周波電源を用い最後の１回は加熱源としてレーザを用いる等、２つの加熱源を適宜組み合わせて必要回数繰り返し熱処理を行ってもよい。
【００１９】
また、本発明の電磁鋼板の熱改質方法において、得られる電磁鋼板は、好適には、Ｓｉを２〜４％含有する鉄合金である。
Ｓｉの含有量が２％未満になると、Ｓｉの存在による鉄損低減効果および降伏強度向上効果が損なわれ、一方、本発明の結晶粒径調製の効果により、コスト増要因となるＳｉの含有量を４％を超える値とする必要はなく、また、Ｓｉの含有量が４％を超えるとオーステナイト領域が消失するので本発明の熱処理効果を得ることができない。
【００２０】
また、本発明に係る電磁鋼板の熱改質方法において、得られる電磁鋼板の降伏強度は、好適には４４０ＭＰａ以上である。
【実施例】
【００２１】
図２に示す処理工程図において、圧延最終工程から出てきた３％Ｓｉ−Ｆｅ電磁鋼板１０にレーザビーム１２を用いて本発明を適用した例を示す。
電磁鋼板１０は、厚さ０．２０ｍｍ、幅１０００ｍｍである。電磁鋼板１０をローラ１４で巻取りながらレーザビーム１２による加熱と水冷機構１６による水冷を交互に繰り返した。加熱は、電磁鋼板の組織がオーステナイト領域内に達する温度まで行い、冷却は、電磁鋼板の組織がオーステナイト領域以下、すなわち、オーステナイトとフェライトが共析する領域内に達する温度まで行った。
幅方向のレーザスキャン方法はガルバノスキャン方式を適用した。レーザは、炭酸ガスレーザ（出力２ｋＷ）を使用して、幅１．５ｍｍの部分に対して３００ｍｍ／秒の速度で照射した。
【００２２】
熱処理後の電磁鋼板の鉄損は周波数１０ｋＨｚにて測定し、降伏強度測定には引張り試験機を使用した。組織観察は腐食後に顕微鏡で行った。
結果を表1に示す。レーザビームを３回以上照射する実施例では、レーザビームを照射しない、または照射回数が２回以下の比較例より鉄損が小さく降伏強度が大きくなることが分る。実施例のフェライトの平均粒径は２〜１５μｍの範囲であった。試料番号7は鉄損が比較例よりやや大きいものの降伏強度が著しく大きい。このため、用途によっては試料番号7の平均粒径が２μm以下でも適用することができる。
【００２３】
【表１】
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の電磁鋼板の熱改質方法における、急速加熱急速冷却の温度パターン例を示す図である。
【図２】本発明の電磁鋼板の熱改質方法の処理工程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０ 電磁鋼板
１２ レーザビーム
１４ ローラ
１６ 水冷機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度に急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施すことを特徴とする電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項２】
前記加熱・冷却工程の繰り返し回数が６回以下であることを特徴とする請求項１記載の電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項３】
前記熱処理により、平均結晶粒径を３〜１５μｍに調製することを特徴とする請求項１または２記載の電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項４】
前記熱処理の繰り返しを加熱源として高周波電源もしくはレーザまたは双方を組み合わせて用いて行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項５】
得られる電磁鋼板のＳｉ含有量が２〜４％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項６】
得られる電磁鋼板の降伏強度が４４０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項１】
オーステナイト領域の温度に急速加熱した後、オーステナイト領域以下の温度に急速冷却する加熱・冷却工程を少なくとも３回以上繰り返す熱処理を施すことを特徴とする電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項２】
前記加熱・冷却工程の繰り返し回数が６回以下であることを特徴とする請求項１記載の電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項３】
前記熱処理により、平均結晶粒径を３〜１５μｍに調製することを特徴とする請求項１または２記載の電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項４】
前記熱処理の繰り返しを加熱源として高周波電源もしくはレーザまたは双方を組み合わせて用いて行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項５】
得られる電磁鋼板のＳｉ含有量が２〜４％であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁鋼板の熱改質方法。
【請求項６】
得られる電磁鋼板の降伏強度が４４０ＭＰａ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁鋼板の熱改質方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００６−８３４１６（Ｐ２００６−８３４１６Ａ）
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２６７６４０（Ｐ２００４−２６７６４０）
【出願日】平成１６年９月１５日（２００４．９．１５）
【出願人】（５０４１７４１３５）国立大学法人九州工業大学 (489)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月３０日（２００６．３．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年９月１５日（２００４．９．１５）
【出願人】（５０４１７４１３５）国立大学法人九州工業大学 (489)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]